KR101328569B1 - 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광에너지를 측정하기 위해 쇼트키 다이오드 상에 유기염료 분자층이 증착되어 있는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 핫전자 기반의 나노다이오드 센서는 광반응을 쇼트키 다이오드를 이용하여 직접적으로 측정함으로써, 간단한 공정으로 나노다이오드 센서의 신뢰도와 민감도를 향상시킬 수 있고, 우수한 내구성으로 센서의 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 핫전자 기반의 나노다이오드 센서는 광반응을 쇼트키 다이오드를 이용하여 직접적으로 측정함으로써, 간단한 공정으로 나노다이오드 센서의 신뢰도와 민감도를 향상시킬 수 있고, 우수한 내구성으로 센서의 수명을 증가시킬 수 있다.
Description
본 발명은 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 화학물질 또는 광에너지를 측정하기 위해 쇼트키 다이오드 상에 유기염료 분자층이 증착되어 있는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기화학적 방법은 일반적으로 용액에 용해된 물질이나 화학제품의 양을 확인하고 측정하는데 사용된다. 전기화학적 방법은 수용액에 용해된 물질의 질적 또는 양적 분석을 위해서 샘플 수용액에서 전극에 흐르는 전류를 측정하는 것이다. 전기화학적 방법에 있어서, 전위는 샘플 수용액에 담궈진 작업 전극과 기준 전극 사이에서 적용된다. 반응 용액의 산화/환원 반응은 전위를 인가함으로써 작업 전극에서 발생되는데, 이 반응에 의해 생기는 전류의 양을 측정하여 분석을 실행한다. 전기화학적 반응은 비교적 고감도와 용이성 때문에 주로 사용된다. 조작 형식과 응용 분야에 따라 전기화학 센서는 세 가지 종류 즉, 전위차 측정, 전류 측정 그리고 전도성 측정으로 나누어진다.
상기의 전기화학 센서들 중에서, 전류측정 센서는 반응에 참여하거나 생성되는 활성 물질의 산화/환원 반응 원리를 기초로 하여 만들어진다.
이런 전류측정 센서는 많은 형식과 응용 분야에서 발견되고, 전위가 적용되었을 때 흡착된 이온이 전류의 양을 변화시킬 수 있다는 원리에서 조작된다. 따라서, 알고 있는 전위와 반응 결과로 생긴 전류를 측정함으로써 관심의 대상인 흡착종에 대한 측정량이 결정된다. 이러한 전류측정 장치는 전기활성 화학종에 대해 원래 민감하고 선택적이며, 빠르고 정확하고 조밀하며 휴대할 수 있고 저렴하다. 또한, 실시간 분석에서 필요로 하는 많은 요구들을 만족시킨다. 전류측정 센서들의 선택성과 감도를 증가시키기 위하여 인위적인 매개물질들이 종종 센서 제조에 사용된다.
한국 공개특허 제10-2006-0098041호에는 P-N 접합 다이오드를 이용하여 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서가 개시되어 있으나, 포토 다이오드의 전하 축적 용량의 감소로 이미지 센서의 신호 대 잡음비 특성이 열화되는 문제점이 있다. 또한, 한국 공개특허 제10-2010-0035209호에는 P-N 접합 다이오드를 이용한 이미지 센서가 개시되어 있으나, 공정이 복잡하고 소자의 신뢰성이 낮은 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 인위적인 매개물질 없이 쇼트키 다이오드 상에 유기염료 분자층을 증착시킨 다음, 상기 유기염료 분자층의 광반응에서 발생되는 핫전자를 측정할 경우, 광에너지를 직접적으로 측정할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 광에너지를 측정하기 위해 쇼트키 다이오드 상에 유기염료 분자층이 증착되어 있는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제 1전극 및 제 2전극; 상기 기판상에 배치되며, 상기 제 1전극 앞측 경계면에 형성된 산화물 박막층; 상기 산화물 박막층과 제 2전극을 연결하는 금속 박막층; 및 상기 금속 박막층 상에 증착되어 쇼트키 다이오드의 핫전자를 생성하는 유기염료 분자층을 포함하는 핫전자 기반 나노다이오드 센서를 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제 1전극 및 제 2전극을 형성하는 단계; (b) 상기 기판상에 배치되며, 상기 제 1전극 앞측 경계면에 산화물 박막층을 형성하는 단계; (c) 상기 산화물 박막층과 제 2전극을 연결하는 금속 박막층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 금속 박막층 상에 유기염료 분자층을 형성하는 단계를 포함하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 핫전자 기반의 나노다이오드 센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 광에너지의 측정방법을 제공한다.
본 발명에 따른 핫전자 기반의 나노다이오드 센서는 광반응을 쇼트키 다이오드를 이용하여 직접적으로 측정함으로써, 간단한 공정으로 나노다이오드 센서의 신뢰도와 민감도를 향상시킬 수 있고, 우수한 내구성으로 센서의 수명을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 개략도로, (a)는 나노다이오드이고, (b)는 나노다이오드 센서이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 핫전자 생성 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유기염료 분자를 이용한 나노다이오드 센서의 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 열처리에 따른 금속박막층의 변화 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 열처리 후에 측정한 I-V 특성 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 열처리 후에 측정한 광전류와 활성층의 관계 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 IPCE 결과 그래프로, (a)는 열처리 전 IPCE 결과이고, (b)는 열처리 후 IPCE 결과이다.
도 8은 본 발명에 따른 염료 증착 나노다이오드 센서의 I-V 특성 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 염료 증착 나노다이오드 센서의 광전류 측정 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 염료 증착 나노다이오드 센서의 IPCE 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 핫전자 생성 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유기염료 분자를 이용한 나노다이오드 센서의 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 열처리에 따른 금속박막층의 변화 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 열처리 후에 측정한 I-V 특성 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 열처리 후에 측정한 광전류와 활성층의 관계 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 나노다이오드 센서의 IPCE 결과 그래프로, (a)는 열처리 전 IPCE 결과이고, (b)는 열처리 후 IPCE 결과이다.
도 8은 본 발명에 따른 염료 증착 나노다이오드 센서의 I-V 특성 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 염료 증착 나노다이오드 센서의 광전류 측정 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 염료 증착 나노다이오드 센서의 IPCE 결과 그래프이다.
본 발명은 일 관점에서, 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제 1전극 및 제 2전극; 상기 기판상에 배치되며, 상기 제 1전극 일측 경계면에 형성된 산화물 박막층; 상기 산화물 박막층과 제 2전극을 연결하는 금속 박막층; 및 상기 금속 박막층 상에 증착되어 쇼트키 다이오드의 핫전자를 생성하는 유기염료 분자층을 포함하는 핫전자 기반 나노다이오드 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 나노다이오드 센서는 특정 광을 정량적으로 측정하기 위해 특정 유기염료 분자층과 광의 반응으로 생성된 에너지가 산화물 박막층과 금속 박막층에 주입되고, 여기서 발생된 핫전자를 제 1전극과 제 2전극의 양단의 전기적 특성 변화로 측정하여 특정 광을 감지한다.
상기 쇼트키(Schottky) 다이오드는 n형 반도체와 금속을 접합시켜 제조된 다이오드로, 금속을 플러스, 반도체를 마이너스로 전압을 공급하면 반도체에서 금속에 핫전가 주입되지만, 정공은 관여하지 않으므로 접합부에 소수 캐리어의 충전이 없어 고속으로 동작시킬 수 있다. 이에, 본 발명은 특정 광반응 정도에 따라 쇼트키 다이오드의 핫전자를 측정하는 것을 핵심 요지로 한다.
상기 핫전자(hot electron)는 외부에서 에너지가 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 의해서 표면에 생성되며, 화학반응이나 광에너지와 같은 외부에너지가 가해졌을 때 금속에서 1-3 eV의 운동에너지를 갖는 전자를 의미한다. 핫전자의 평균자유행로는 10nm 이내이며, 수 피코초(picosecond) 이하의 짧은 시간동안 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 나노다이오드 센서는 도 1에 나타난 바와 같이, 기판(10), 제 1전극(11), 제 2전극(12), 산화물 박막층(13), 금속 박막층(14)를 포함한다.
상기 기판(10)은 셀렌화 카드뮴, 산화아연, 질화갈륨, 인화갈륨, 실리콘산화물, 타이타늄산화물 및 알루미늄산화물로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 실리콘산화물을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 기판(10)상에 서로 이격되어 배치된 제 1전극(11) 및 제 2전극(12)은 반도체와의 일함수관계를 고려하여 Au/Ti, Pt/Ti, Au/Al 및 Pt/Al로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. Au/Ti을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 제 1전극(11) 일측 경계면에 형성된 산화물 박막층(13)은 타이타늄 산화물, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 세륨 산화물 및 나오븀 산화물로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 타이타늄 산화물을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 산화물 박막층(13)과 제 2전극(12)을 연결하는 금속 박막층(14)은 Au, Ag, Ni, Pd 및 Pt로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. Pt를 사용하여 두께 1 ~ 10nm로 증착시키는 것이 가장 바람직하다. 금속 박막층(14)의 두께를 1 ~ 10 nm로 증착시켜 쇼트키 다이오드를 형성시킨다. 이렇게 형성된 쇼트키 다이오드의 금속 박막층(14)에서 전자의 평균자유행로가 보장되어 핫전자의 이동이 원활해진다. 이 때 금속 박막층(14)과 산화물 박막층(13)의 조합은 각 물질의 일함수에 의해 결정된다. 금속 박막층(14)과 산화물 박막층(13)의 접합으로 이루어지는 활성층에는 쇼트키 장벽이 형성되며, 에너지 전환과정에서 생성된 핫전자는 쇼트키 장벽을 넘게 된다. 이 때, 전극에서 수집되는 핫전자에 의해 생성된 전류의 측정은 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 작동 원리이다.
상기 나노다이오드 센서는 금속 박막층(14) 상에 유기염료 분자층을 증착시켜 광반응에서 생성되는 핫전자를 측정할 수 있다. 증착된 유기염료 분자층은 메르브로민(Merbromin), 로다민 6G (Rhodamin 6G), 로다민 B(Rhodamin B), cis-Bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)ruthenium(II) 및 술포로다민 B(Sulforhodamine B) 로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 메르브로민(Merbromin)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 기판 상에 서로 이격된 제 1전극 및 제 2전극을 형성하는 단계; (b) 상기 제 1전극 일측 경계면에 산화물 박막층을 형성하는 단계; (c) 상기 산화물 박막층과 제 2전극을 연결하는 금속 박막층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 금속 박막층 상에 유기염료 분자층을 형성하는 단계를 포함하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 (a)단계에서 제 1전극 및 제 2전극은 기판 상에 진공 증착법(vacuum evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation) 및 화학기상증착법으로 구성된 군에서 선택되고, 바람직하게는 전자빔 증발법을 사용하여 Ti은 50nm로, Au는 150nm로 증착시킬 수 있다.
상기 (b)단계에서 산화물 박막층은 멀티타겟 스퍼터링법(multitarget sputtering), 플라즈마 향상 화학기상증착법(plasma-enhanced CVD), 진공 증착법(vacuum evaporation) 및 전자빔 증발법(electron beam evaporation)으로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 멀티타겟 스퍼터링법을 사용하여 4×6mm, 두께 150nm로 증착시키는 것이 가장 바람직하다.
상기 (c)단계에서 금속 박막층은 진공 증착법(vacuum evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation) 및 화학기상증착법으로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 전자빔 증발법을 사용하여 두께 1~10nm로 증착시키는 것이 가장 바람직하다. 제조된 금속 박막층의 열처리는 온도 120℃~240℃에서 수행되고, 바람직하게는 200℃에서 수행할 수 있다. 200℃에서 열처리를 수행할 경우, 나노다이오드의 단락 광전류는 열처리되지 않은 나노다이오드의 4.5배, 전류 밀도는 7.5배 높아진다. 이때, 열처리 온도가 120℃ 미만일 경우, 금속 박막층의 형상의 변형이 일어나지 않아 단락 광전류의 변화가 없으며, 열처리 온도가 240℃ 초과할 경우, 금속 박막층에서 연결된 아일랜드 구조가 서로 분리되어 전기적 접점의 손실과 쇼트키 다이오드의 특성을 상실하게 된다.
상기 (d)단계에서 유기염료분자층은 물리증착법, 화학기상증착법 및 초분자 졸-겔법으로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 물리증착법을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 쇼트키 다이오드 위에 염료가 증착되기 전에는 핫전자의 생성이 어려워 매우 미세한 전류의 신호를 나타내지만, 염료가 증착되면 나노다이오드의 광흡수를 용이하게 하여 핫전자의 생성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이러한 유기염료는 각 염료마다 특정파장의 빛에 대한 광흡수율이 매우 우수하기 때문에 염료의 종류에 따라 특정파장의 빛을 검출할 수 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 핫전자 기반의 나노다이오드 센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 광에너지의 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 도 2는 나노다이오드 센서의 핫전자 생성 개략도이다. 화학반응 도중에 나노다이오드에서 생성되는 핫전자를 기반으로 직접적으로 전류신호를 얻음으로써 화학센서의 기능을 한다. 도 3은 유기 염료분자를 이용한 나노다이오드 센서의 에너지 준위를 나타낸 것으로, 이를 통해 핫전자 기반의 나노다이오드 전하수송 센서의 원리인 쇼트키 장벽이 Au와 TiO2의 접점에서 생성된 것을 알 수 있다. 도 3에서 염료 층(dye molecule)을 제외한 나머지 부분은 핫전자 기반의 모든 나노다이오드에 적용되는 에너지 준위로, 염료층을 제외한 일반적인 에너지 준위에서는 광에너지가 Au층에서 흡수된다. 이 때 Au층에서 에너지전환과정을 통해 1-3eV의 에너지를 얻게 되는 핫전자는 쇼트키장벽을 넘어 산화물로 넘어 갈 수 있게 된다. 이러한 핫전자는 다시 Ti와 Au 이루어진 오믹(ohmic) 접합을 통해 수집되고 이러한 핫전자는 전류의 신호로 얻어지게 된다. Au의 경우 나노크기의 형태를 가지게 되면 빛에 대한 흡수도가 증가하게 된다. 광흡수 효율을 증가시켜 광센서의 기능향상을 위해 기본적인 구조에 도 3과 같이 유기염료 분자층이 Au에 증착된다. 이때, 광에너지는 Au층이 아닌 유기염료층에 흡수되며 기본적인 에너지 준위는 같다. 유기염료의 경우, 특정 파장에 대한 우수한 흡수율을 가지고 있으므로 나노다이오드의 센서 능력에 특정파장에 대한 선택성을 가진다. 여기에 열처리를 통해 더욱 광에너지에 민감한 유기염료 분자층을 이용한 나오다이오드 센서를 얻을 수 있다.
쇼트키 다이오드 상에 유기염료 분자층을 증착시킨 다음, 상기 유기염료 분자층의 광반응에서 발생되는 핫전자를 쇼트키 다이오드로 측정할 경우, 광반응을 직접적으로 측정함으로써, 광에너지 측정에 대한 신뢰성과 민감도를 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예
1:
쇼트키
다이오드의 제조
Au/TiO2 쇼트키 다이오드는 플라즈마기상증착을 사용하여 절연 n-type(100) 실리콘 웨이퍼 위에 200nm의 SiO2를 증착하였다. 첫 번째 단계는 멀티타겟 스퍼터링(multitarget sputtering)으로 알루미늄 섀도우 마스크를 통해 실리콘 산화물에 티타늄 산화물을 4x6mm, 두께 150nm로 증착하였다. 웨이퍼는 티타늄 산화막의 표면저항을 제어하기 위해 200℃에서 3 시간 동안 담금질하였다. 50nm Ti층은 전자빔을 이용한 진공 증착법을 사용하여 두 번째 마스크를 통해 증착하였다. 나노다이오드의 두 오믹 전극(ohmic electrode)을 구성하는 150nm 의 Au층은 같은 마스크를 통해 증착하였다. 마지막으로, 얇은 Au층은 (두께 10±2nm)은 제 3 마스크를 통해 증착하였다.
실험예
:
핫전자
생성의 증폭 및 측정
1-1 : 나노구조물을 통한
핫전자
생성의 증폭 및 측정
상기 실시예 1의 Au/TiO2 쇼트키 다이오드를 이용하여 박막 Au 층, 활성층의표면 형상의 변화에 따른 광전류발생 실험을 수행하였다. 활성층의 표면 형상 변화를 얻기 위해 다양한 온도로 나노다이오드를 열처리하였다. 활성층의 표면 형상 변화는 산화물층에 비하여 금속층의 높은 표면 에너지에 의한 것으로, 금속 원자의 확산율이 고온에서 증가하게 되어 열처리 온도의 증가에 따라 금속박막이 아일랜드 구조로 변화한다. 도 4에서와 같이 1시간 동안 120℃에서 열처리 후 박막의 형상에 변형이 시작되어 공간(void)이 발견되었다. 표면에 160℃ 또는 200℃의 열에 의해 나타난 아일랜드 구조 또한 확인할 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, I-V 측정을 통해서 쇼트키 다이오드는 처리 후 기능이 남아있는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 고온(240℃)에서 연결된 아일랜드 구조는 서로 분리되어 고립 아일랜드 구조로 바뀌어, 나노구조에서 전기적 접점의 손실과 쇼트키 다이오드에 실패했다.
도 6은 다양한 온도에서 처리된 Au/TiO2 다이오드에서 측정된 단락 광전류의 그래프이다. 먼저 공기 중에서 다이오드를 열처리하였고, 그 다음 상온에서 공기 중에 단락 전류를 측정하였다. 나노다이오드는 광전류 측정을 위한 일반적인 발생 각도와 텅스텐-할로겐 램프(tungsten-halogen lamp)에 노출되었다. 연결된 아일랜드의 개질된 표면의 단락 광전류가 처리되지 않은 Au/TiO2 다이오드보다 훨씬 높은 것을 관찰하였다. 예를 들어, 200℃에서 처리된 샘플의 전류가 Au층보다 4.5 배 높았다. 처리된 다이오드의 전류 밀도는 구동영역(Au 아일랜드와 TiO2 표면 사이의 공간)의 감소를 고려하면, 처리되지 않은 다이오드보다 7.5 배 높을 수 있다. 240℃에서 처리된 Au/TiO2의 측정된 광전류는 전기 접점의 손실로 인해 광전류가 감소한 것으로 추측되어 검출 한계의 오류보다 낮았다. 도 6에 표시된 기울기는 열적표류(thermal drift)로 인한 광전류의 시간적 변화와 연결되어있다.
도 7은 열처리 전 후에 측정되는 광전류를 각 파장대별로 측정한 IPCE 결과로, 열처리 전과 열처리 후의 결과를 비교하면 열처리 후 가시광선 영역에서 매우 증가된 IPCE 값(1.8 eV~2.4 eV 영역)을 얻을 수 있었다. 이는 활성층이 열처리를 통해 표면 변화를 거쳐 나노구조물로 변하면서 표면 플라즈몬을 생성시키기 때문이다. 열처리 후 가시광선에서의 광전류 증가는 핫전자의 생성증폭을 의미하고 이러한 증폭은 가시광선 영역에서의 광센싱 능력을 향상시킨다.
1-2 : 염료 증착을 통한
핫전자
생성의 증폭 및 측정
상기 실시예 1의 Au/TiO2 쇼트키 다이오드를 이용하여 활성층 위에 드롭 코팅(drop cating) 방법으로 염료를 증착하였다. 이 실험에 사용된 염료의 종류는 메르브로민(Merbromin)과 로다민 B(Rhodamin B)가 사용되었다. 각각의 염료는 에탄올에 용해되었고, 농도는 각각 0.04 mM, 0.02 mM 이다. 이 염료를 증착함에 따라 변하는 광전류 특성을 측정해 보았다. 도 8에 나타낸 바와 같이, I-V 측정을 통해 염료의 증착 후에도 쇼트키 특성이 잘 보존된 것을 확인할 수 있었다. 실험예 1-2의 경우와 같은 조건으로 측정된 광전류 특성을 확인한 결과, 도 9에 나타낸 바와 같이, 염료의 증착 후에 광전류가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 염료층이 입사되는 광에너지를 효율적으로 흡수하여 핫전자의 생성을 증가시킨 결과이다. 각각의 파장대에서의 광흡수 효율을 알아보기 위해 측정한 IPCE 결과는 도 10나타난 바와 같이, 메르브로민(Merbromin)을 증착시킨 경우, 메르브로민(Merbromin)의 광흡수파장대(2.1 eV~2.8 eV)에서와 마찬가지로 IPCE 결과에도 그 파장대에서 핫전자의 증가를 보이고 있다. 이 결과는 로다민 B(Rhodamin B)의 경우에서도 마찬가지이다. 이는 염료를 증착시킴으로써 나노다이오드에서 핫전자의 증폭을 발생시키는 것이다. 특히, 120℃로 열처리를 한 후에 염료를 증착한 경우는 열처리를 하지 않은 경우보다 더 큰 광전류 증가를 나타냈다. IPCE 결과에서도 마찬가지로 120℃로 열처리한 경우가 염료로 인한 더 큰 증가를 나타냈다. 이러한 핫전자의 증폭은 나노다이오드에서 전하수송 과정을 통해 광센싱의 특성을 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10 : 기판
11 : 제 1전극
12 : 제 2전극
13 : 산화물박막층
14 : 금속박막층
11 : 제 1전극
12 : 제 2전극
13 : 산화물박막층
14 : 금속박막층
Claims (19)
- 다음을 포함하는, 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 :
기판 상에 서로 이격되어 배치된 제 1전극 및 제 2전극;
상기 기판상에 배치되며, 상기 제 1전극 일측 경계면에 형성된 산화물 박막층;
상기 산화물 박막층과 제 2전극을 연결하는 금속 박막층; 및
상기 금속 박막층 상에 증착되어 화학반응 또는 광반응에서 핫전자를 생성하는 유기염료 분자층.
- 제1항에 있어서, 상기 제 1전극 또는 제 2전극은 반도체와의 일함수관계를 고려하여 Au/Ti(Ti 위에 Au 증착), Pt/Ti(Ti 위에 Pt 증착), Au/Al(Al 위에 Au 증착) 및 Pt/Al(Al 위에 Pt 증착) 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 박막층의 두께는 1nm ~ 10nm인 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 산화물 박막층은 타이타늄 산화물, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 세륨 산화물 및 나오븀 산화물으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 박막층은 Au, Ag, Ni, Pd 및 Pt로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 유기염료 분자층은 메르브로민(Merbromin), 로다민 6G(Rhodamin 6G), 로다민 B(Rhodamin B), cis-Bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)ruthenium(II) 및 술포로다민 B(Sulforhodamine B) 로부터 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서.
- 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.다음 단계를 포함하는, 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법:
(a) 기판 상에 서로 이격된 제 1전극 및 제 2전극을 형성하는 단계;
(b) 상기 제 1전극 일측 경계면에 산화물 박막층을 형성하는 단계;
(c) 상기 산화물 박막층과 제 2전극을 연결하는 금속 박막층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 금속 박막층 상에 유기염료 분자층을 형성하는 단계.
- 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 제 1전극 및 제 2전극은 반도체와의 일함수관계를 고려하여 Au/Ti(Ti 위에 Au 증착), Pt/Ti(Ti 위에 Pt 증착), Au/Al(Al 위에 Au 증착) 및 Pt/Al(Al 위에 Pt 증착)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 (a)단계의 제 1전극 및 제 2전극의 형성은 진공 증착법(vacuum evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation) 및 화학기상증착법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 (b)단계의 산화물 박막층의 형성은 멀티타겟 스퍼터링법(multitarget sputtering), 플라즈마 향상 화학기상증착법(plasma-enhanced CVD), 진공 증착법(vacuum evaporation) 및 전자빔 증발법(electron beam evaporation)으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 산화물 박막층은 타이타늄 산화물, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 세륨 산화물 및 나오븀 산화물으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 (c)단계의 금속 박막층의 형성은 진공 증착법(vacuum evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation) 및 화학기상증착법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 금속 박막층은 Au, Ag, Ni, Pd 및 Pt로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 금속 박막층의 두께는 1nm ~ 10nm인 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 (c)단계는 금속 박막층을 형성한 다음, 형성된 금속 박막층을 120℃~230℃로 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 유기염료 분자층의 유기염료분자는 메르브로민(Merbromin), 로다민 6G(Rhodamin 6G), 로다민 B(Rhodamin B), cis -Bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)ruthenium(II) 및 술포로다민 B(Sulforhodamine B) 로부터 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제7항에 있어서, 상기 (d)단계의 유기염료 분자층의 형성은 물리증착법, 화학기상증착법 및 초분자 졸-겔법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 핫전자 기반의 나노다이오드 센서의 제조방법.
- 청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 핫전자 기반의 나노다이오드 센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 광에너지의 측정방법.
- 청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제18항에 있어서, 상기 광에너지는 광전류인 것을 특징으로 하는 측정방법.
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| KR1020120003026A KR101328569B1 (ko) | 2012-01-10 | 2012-01-10 | 핫전자 기반의 나노다이오드 센서 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR101328569B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102467133B1 (ko) * | 2017-12-07 | 2022-11-16 | 기초과학연구원 | 3차원 핫전자 에너지 소자 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001516150A (ja) | 1997-08-15 | 2001-09-25 | ユニアックス コーポレイション | 切り換え可能な感光性を有する有機ダイオード |
| KR20090055306A (ko) * | 2007-11-28 | 2009-06-02 | 삼성에스디아이 주식회사 | 유무기 나노 복합 입자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는광전 변환 소자 |
| JP2010141140A (ja) | 2008-12-11 | 2010-06-24 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | カラーイメージセンサ |
| KR20110022228A (ko) * | 2009-08-27 | 2011-03-07 | 삼성전자주식회사 | 수광소자 및 이를 포함한 촬상소자 |
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2012
- 2012-01-10 KR KR1020120003026A patent/KR101328569B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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| JP2001516150A (ja) | 1997-08-15 | 2001-09-25 | ユニアックス コーポレイション | 切り換え可能な感光性を有する有機ダイオード |
| KR20090055306A (ko) * | 2007-11-28 | 2009-06-02 | 삼성에스디아이 주식회사 | 유무기 나노 복합 입자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는광전 변환 소자 |
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| KR20110022228A (ko) * | 2009-08-27 | 2011-03-07 | 삼성전자주식회사 | 수광소자 및 이를 포함한 촬상소자 |
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| KR20130081918A (ko) | 2013-07-18 |
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